[发明专利]一种气体钻井控斜底部钻具组合设计方法

权利要求书

1.一种气体钻井控斜底部钻具组合设计方法，所述底部钻具组合采用带预弯结构的钟摆底部钻具组合，适用于气体钻井控斜，其特征在于，具体包括如下步骤：

a.利用测量设备测量底部钻具组合中的钻头、预弯短接、钻铤、稳定器的几何参数，同时通过室内试验或查询获取这些部件材料的弹性模量、泊松比和强度参数；

b.根据待钻地层的井斜特征情况，初步确定一套带预弯结构的钟摆底部钻具组合，其包括钻头、预弯短接、第一钻铤、下稳定器、第二钻铤、上稳定器、第三钻铤，所述钻头通过预弯短接连接第一钻铤，所述第一钻铤通过下稳定器连接第二钻铤，所述第二钻铤通过上稳定器连接第三钻铤；并根据井眼设计直径，选择以上部件的外径；

c.确定步骤b中带预弯结构的钟摆底部钻具组合中钻头的动态降斜力和动态轴向力的大小，获得动态合控斜力；

d.在固定其它参数情况下，改变任一个结构参数，确定对应的动态合控斜力大小，并找出最大动态合控斜力对应的结构参数；

e.根据具有最大动态合控斜力的结构参数和井场现有工具储备，最终确定带预弯结构的钟摆底部钻具组合，其中第三钻铤的长度根据工程需要确定；

所述步骤c中动态合控斜力的确定方法，具体为：

c1.根据下述公式确定该带预弯结构的钟摆底部钻具组合中钻头的动态降斜力：

式中，

式中，R_b为钻头半径，R_s为稳定器半径，b₀为井眼和钻头之间的间隙；L₁为预弯短接弯点到钻头端面的距离，L₂为弯点到下稳定器中点的长度，并有L＝L₁+L₂；α为弯角，e为钻头到下稳定器之间钟摆段的质心与几何中心的距离，γ为钻头到下稳定器之间钟摆段的质心的径向位移，θ为其绕z轴的转角，m为钻头到下稳定器之间钟摆段的质量，Ω为地面转盘转速，s₀为稳定器与井眼之间的平均间隙，t为时间；A＝F_oγcosθ+F_oθsinθ+meΩ²cosΩt；x轴沿井眼高边方向，z轴沿钻头轴线方向，y轴由x,z轴正交确定；

F_Oγ及F_Oθ由惯性力和接触力两部分组成：

式中，φ为摩擦角，由库伦摩擦定律得到；k_h为赫兹接触系数，μ_h为库伦摩擦系数，R_c为钻铤外径，a₁为钻头到下稳定器之间钟摆段中点处的固有变形量，I_c为钻铤截面的惯性矩，E为钻铤的弹性模量，P为钻压，c₀为钻铤和井壁之间的平均间隙；

c2.根据下列公式确定钻头的动态轴向力：

式中，k_z为岩石刚度系数，取k_z＝6.78×10¹¹N·m^-3；

c3.根据下列公式确定钻头的动态合控斜力：

动态合控斜力的方向为：

式中，i,j,k为三个轴的单位矢量，其中i沿井眼高边方向，k沿钻头轴线方向。